1、M.E.M.S.一,什么是 MEMS什么是 MEMS?微机电系统(MEMS)，在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS 器件的特征长度从 1 毫米到 1 微米1 微米可是要比人们头发的直径小很多。MEMS 往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而，MEMS 器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。今天很多产品都利用了 MEMS 技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。我们为何需要 MEMS?“他们
2、告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。但这也没什么;这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小世界。公元 2000 年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到 1960 年，才有人开始认真地朝这个方向努力。”理查德费曼，底部仍然存在充足的空间发表于 1959 年 12 月 29 日于加州理工大学(Caltech)举办的美国物理学会年会。在这个经典的带预言性质的演讲底部仍然存在充足的空间中，理查德费曼继续描述我们如何在针尖上写出大英百科全书的每一卷。但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象
3、?(编者注：理查德费曼(1918 年 5 月 11 日-1988 年 2 月 15 日)，费曼是十九世纪末，俄罗斯和波兰犹太人移民到美国的后裔。美国物理学家。1965 年诺贝尔物理奖得主。提出了费曼图、费曼规则和重正化的计算方法，是研究量子电动力学和粒子物理学不可缺少的工具。费曼被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人)MEMS 器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。如前所述，MEMS 规模的器件，小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样，批量制造能显著降低大规模生产的成
4、本。在一般情况下，微机电系统也需要非常量小的材料以进行生产，可进一步降低成本。除了价格更便宜，MEMS 器件也比它们更大等价物的应用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计;但通过减小了几个数量级，MEMS 器件可以用在容不下传统传感器的应用中。图 1：TI 的数字微镜像素，拆解视图。易于集成是 MEMS 技术的另一个优点。因为它们采用与 ASIC 制造相似的制造流程，MEMS 结构可以更容易地与微电子集成。将 MEMS 与 CMOS 结构集成在一个真正的一体化器件中虽然挑战性很大，但并非不可能，而且在逐步实现。与此同时，许多制造商已经
5、采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的 MEMS 产品。德州仪器 的数字微镜器件(DMD) 就是其中一个案例。DMD 是 TI DLP 技术的核心，它广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每 16 平方微米微镜使用其与其下的 CMOS 存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案( 每一基色对应一个芯片) ，或通过一个单芯片以及一个色环或 RGB LED 光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与 DLP 芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像。或许 MEMS 技术的一个最有
6、趣特性是设计师得以展示在如此小规模的物理域中发掘物理独特性的能力图 2：简化的 MEMS 加速度计MEMS 现状基于各种原因，许多 MEMS 产品在商业上取得了巨大成功，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是 MEMS 技术的主要驱动力之一。例如 MEMS 振动结构陀螺仪，是一款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。村田电子的 SCX 系列 MEMS 加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集成在一个单芯片中可助力特定的汽车应用-因为它们的精度要求可能会非常高。 基于MEMS 的气囊传感器自上世纪 90 年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。图 2 显示了
7、一个简化的 MEMS 加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。许多商用和工业用喷墨打印机使用基于 MEMS 技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴这一技术被称为按需投放(DoD)。墨滴放置在横跨压电材料(比如 lead zirconatetitanate，)组成的元件中，通过施加的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施力形成一个非常小量(相对压缩) 的墨水，并从喷嘴中喷出。图 3：基于 MEMS
8、 按需投放的打印机头与此同时，其它一些 MEMS 技术才刚开始大规模进入市场。微机械继电器(MMR)，比如欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传感器：D6T 非接触式 MEMS 温度传感器。该 D6TMEMS 制作过程中集成了 ASIC 和热电堆元件，所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为 18148.8 毫米(4x4 元件类型)。当然，当前的 MEMS 技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和(一些)位置信息，而两只眼睛将带来双眼视觉，改善立体感知。事实上，我们的许多感知体验需要感官
9、的组合，这样的感知才是最终有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以弥补单个感官器官的弱点和缺点，并达到某种程度上最佳的环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”;而在电子领域，这就是所谓的传感器融合。传感器融合，特别是当它涉及到 MEMS 时，是移动设备中传感器技术的一个重要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞思卡尔面向 Win8 的 12 轴Xtrinsic 传感器平台。该平台集成了 3 轴加速度计，3 轴磁力计，压力传感器，3 轴陀螺仪，环境光传感器，并带有一个 ColdFire + MCU，以提供一个完全硬件解决方案还打包提供专用的传感器融合软件。随着 M
10、EMS 器件的优势获得认可，MEMS 市场步伐也在持续加快。据 YoleDveloppement2012年 MEMS 产业报告中所述，在接下来 6 年，MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”，2017 年全球市场价值将达到 210 亿美元。MEMS 设计与制造“有趣的是，这样小的机器会遇到什么问题。首先，如果各部分压力维持相同程度，力随面积减小而变化，这样重量以及惯性等将相对无足轻重。换句话说，材料的强度所占比重将增加。比如，随着我们减小尺寸，除非旋转速度同比增加，飞轮离心力导致的压力和膨胀才能维持相同比例。“理查德费曼，“底部仍然存在充足的空间”缩放和小型化MEMS 设计和制造的介绍往
11、往起始于对缩放和小型化的回顾。例如，如果我们问，为什么不能简单地将一个空气压缩机或吊扇收缩到跳蚤大小的规模?答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与一个 1000 倍大的正常大小的风扇的运行方式不同，因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子，S，有助于理解这中间发生了什么变化。考虑一个矩形，其面积等于长度和宽度的乘积;如果矩形按比例因子缩小 100(即长度/ 100 和宽度/ 100)，该矩形的面积缩小为原来(1/100)2= 1/10000。因此，面积的比例因子是 S2。同样，体积的比例因子是 S3因此随着缩放越来越小，体积的影响比表面(面积)的影响更大。在一个给定的规模上，谨慎考虑不同力的比
12、例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是 S1，压力以及静电相关的力是 S2，磁场力是 S3，以及重力为 S4。这就解释了水黾(或“ 水臭虫”)为什么可以在水面上行走，以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星系统不同。虽然任何设计中都须要开发完整的数学模型，但比例因子有助于指导我们如何设计 MEMS 大小的器件。子系统建模由于亚毫米器件的直观性不强，模型对 MEMS 设计来说非常必要。一般来说，一个完整的微机电系统太过复杂，难以从整体上进行模型分析，因此，通常须要将该模型划分为多个子系统。子系统建模的其中一种方式是按功能进行分类，比如传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件
13、建模采用了这种方法，将系统的物理部分表示为理想化特征的分离元件。电子电路以同样的方式进行建模，使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解，在可以的情况下，电路建模时电气工程师会使用大大简化的基尔霍夫电路定律，而不是使用麦克斯韦方程。再次，如同电子领域一样，系统可以使用框图进行更抽象的建模。在该层次上，可以非常方便地将每个元件的物理特性放置在一边，而仅使用传递函数来描述系统。这种 MEMS 模型将更有利于控制理论技术，这是最高性能设计的一套重要工具。设计集成尽管标准 IC 设计通常由一系列步骤组成，但 MEMS 设计则截然不同 ;设计、布局、材料以及 MEMS封装本质上是交织在一
14、起的。正因为如此，MEMS 设计比 IC 设计更复杂 通常要求每一个设计“阶段”同步发展。MEMS 封装过程可能是与 CMOS 设计分歧最大的地方。 MEMS 封装主要是指保护设备免受环境损害，同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。 MEMS 传感器通常须要进行应力测量，过大的应力可能因器件变形及传感器漂移而影响正常功能。每个 MEMS 设计的封装往往是唯一的，并且必须进行专门设计。众所周知，在产业中封装成本占总成本的很大一部分 在某些情况下会超过 50%。MEMS 封装没有统一标准，仅最近就有多种封装技术涌现，其中包括 MEMS 晶圆级封装(WLP)和硅通孔(TSV) 技术。制造源
15、自微电子，MEMS 制造的优势在于批处理。就像其它任何产品，MEMS 器件规模量产加大了它的经济效益。如同集成电路制造，MEMS 制造中光刻方法往往最具成本效益，当然也是最常用的技术。然而，其它处理方式，同时兼具优点和缺点，也在使用，包括化学/物理气相沉积(CVD/ PVD)、外延和干法蚀刻。尽管很大程度上取决于特定应用，但相比于其电子性能，MEMS 器件中使用的材料更看重它们的机械性能。所需的机械性能可能包括：高刚度，高断裂强度和断裂韧性，化学惰性，以及高温稳定性。微光学机电系统(MOEMS) 可能需要透明的基底，而许多传感器和作动器必须使用一些压电或压阻材料。作者简介：David Aske
16、w 是一个技术专家，特别是在嵌入式系统和软件方面。他拥有美国德州大学阿灵顿分校的电子工程学士学位。、二,MEMS 制造工艺现状,及主要工艺与流程目前，MEMS 的制造仍相当多元且欠缺标准化；仍采用 Yole Developpement 所形容的一种产品，一套制程规则。其实 MEMS 的历史与一般 IC 产业不同，且其技术蓝图也与半导体产业有所不同。因此，以完全不同制造方式制作相同 MEMS 装置的业者处处可见，有时还甚至来自同一家公司（例如，CMOS MEMS 及混合途径方法都可用于惯性感测器或麦克风）。然而，当 MEMS 与前代产品相比成为可快速攻入市场的商品化产品时，任何能够加速商业化流程
17、的事宜也都会广受欢迎。MEMS 的封装正朝向与前端制程不同的方向演进，且 Yole Developpement 已经注意到，封装标准化对于支援产量大幅成长的产品出货之重要性将会提高，而与 MEMS 与感测器内容相关的整体成本将会降低（例如，制造商之间的麦克风封装方式大都相同）。此外，这份报告也显示在前端制程方面，各大公司都正在发展针对不同 MEMS 装置的独家技术平台。MEMS 的前端制造发展趋势（来源：Yole Developpement，2013 年 2 月；图表显示新 MEMS 制程采用的时间表。箭头左侧表示技术的开始采用时间-例如，DRIE 是从 96 年时开始运用于 Bosch 惯性
18、 MEMS-Yole Developpement 预测在未来将可看到越来越多创新的 MEMS 制程：TSV、微影步进机、薄晶圆的暂时性接合、室温接合）Yole Developpement 的报告中，也揭示当 MEMS 从制程技术性的竞争移转到功能及系统性的竞争时，就有必要采用标准途径来降低封装尺寸及成本。目前，MEMS 代工厂仍处于制程技术性的竞争阶段，且必须以更广泛的制程技术来因应新的 MEMS 设计及结构。这种技术途径与通常只专注于单一类型 MEMS 设计的无晶圆厂公司是不同的，该种公司的主要任务是找到最有经验与可靠的代工伙伴来说服客户自己的强项所在；同时，整合元件大厂（IDM）则通常是仰
19、赖已制式化运作的 MEMS 制程来制造其产品（如 ST 的 THELMA）。由于总是必须面对 MEMS 制造技术前景的最前线变革，故代工厂的挑战也往往是最大的。Yole Developpement 的 MEMS 的前端制造发展趋势报告也清楚点出了主要的前端制造技术改革；例如，芯片尺寸封装（CSP）技术中的硅穿孔（TSV）也正逐渐渗透到 MEMS 产业。在此方面，该机构分析了意法半导体（STMicroelectronics）自家工厂采用 TSV 来接合 MEMS 芯片与主机板的独家方法。ST 的方法免除焊垫（bond pad）的需求，将之以使用气隙蚀刻（etched-out air gaps）绝
20、缘的多晶硅通孔来取代；采用其基础 MEMS 制程，但规模约十倍大。根据 ST 的报告，减少了 20%30%的芯片尺寸，可抵销采用 TSV 制程微增的成本，使得总成本反而降低。MEMS 结构层制造流程实例然而，因为芯片小型化有其限制，故各个研发机构正着手发展新的检测原理（例如，Tronic 的M此外，金属及陶瓷材料具有极佳的可靠性，也是可行的 MEMS 制造材料。MEMS 技术的选用要依据不同的应用或市场合理选用。其主要技术包括表面微加工技术(Surface Micro-Machining)、体型微加工技术 ( Bulk Micro-Machining)，与 LIGA 技术等;另外还有一些常应用
21、或整合在一起的技术，如电铸、芯片黏合以及特别的保护与封装技术等。1. 体型微加工体型微加工技术针对硅基材直接进行干式或湿式蚀刻，以形成所需的微结构，让硅晶圆具备机械性能。一般的作法是使用氢氧化钾等碱性溶液来腐蚀平板印刷后留下来的硅，由于硅材料具有晶向性，沿特定晶体方向的腐蚀速度比其它方向的要高 1000 倍。体型微加工是最早开始采用的硅晶式 MEMS 组件制造技术，其在 80 及 90 年代成为主流的 MEMS组件制造技术。由于体型微加工利用硅基材的晶格特性做为微结构，将硅晶圆的所有厚度都用来构建微机械结构，因此能获得较强壮与坚固的结构，相比之下表面微加工技术的产品则比较脆弱。体型微加工的缺点
22、是加工上局限和成本。单晶硅材料的制造成本也较贵，该技术也很难做出多变与复杂的结构。2. 表面型微加工表面型微加工制程包括几个主要的步骤：首先在硅晶上沉积牺牲层(Sacrificial Layer)，通过光刻(Lithography)技术将设计好的保留区域图形完整且精确地复制到晶圆上，再利用蚀刻将不要的部分去除;接着沉积结构层(Structure Layer)，再蚀刻掉不要的部分;最后再将牺牲层全部蚀刻移除，即可制成可活动的机械结构。表面微加工技术克服了体型微加工成本较高和很难做出复杂结构等缺点，成为目前 MEMS 生产的主流技术。其主要通过深度刻蚀及牺牲层等工艺，让微小的装置中也能制造出精密机
23、械性结构。表面型微加工法已获得业界的肯定，但其控制技术仍然有相当的门槛。其最主要的技术问题在于如何克服薄膜制程的张应力特性，控制结构的平整性;此外，技术的可靠性也是关键，这将影响此技术能否做出商品化的产品。TEHLMA 是 ST 先进的表面微加工制程，全称是厚垒晶层(Thick Epitaxial Layerfor Micro Gyroscopes and Accelerometer)技术，专门用来生产高灵敏度和较广探测范围的加速度传感器、陀螺仪和机电滤波器 / 谐振器等组件。THELMA 的流程主要包括六个主要步骤：基底热氧化、水平互连的沉积与表面图样化(Patterning) 、牺牲层 (
24、Sacrificial-Layer)的沉积与表面图样化、结构层的垒晶生长、用通道蚀刻将结构层图样化、以及牺牲层的氧化物去除与接触金属化沉积。3 主流 MEMS 流程1、体加工工艺体加工工艺包括去加工（腐蚀） 、附着加工（镀膜） 、改质加工（掺杂）和结合加工（键合） 。主要介绍腐蚀技术。腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。（1）干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备。按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE：Plasma Et
25、ching） 、反应离子刻蚀（RIE：Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：Induction Couple Plasma Etching） 。在等离子气体中，可是实现各向同性的等离子腐蚀。通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。比如化学抛光等等。常用的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者 CH3COOH。与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧
26、化能力在使用期内相当稳定。硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。比如， 100/111面的腐蚀速率比为100：1 。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：KOH，NaOH ，LiOH ，CsOH和NH4OH等。在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止
27、腐蚀等等。2、硅表面微机械加工技术美国加州大学Berkeley分校的Sensor and Actuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系。表面微机械加工是把MEMS的“机械” （运动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层（Sacrifice Layer）技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如SiO2可用HF 腐蚀） ，再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释
28、放出来。硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。湿法制膜包括电镀（LIGA工艺） 、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中 LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的 PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括CVD（Chemical Vapor Deposition）和PVD（ Physical Vapor Deposition） 。薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。3、结合技术微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片粘结起来
29、，可以获得复杂的结构，实现更多的功能。将基片结合起来的办法有焊接、融接、压接（固相结合） 、粘接、阳极键合、硅直接键合、扩散键合等方法。4、逐次加工逐次加工是同时加工工艺的补充，常用于模具等复杂形状的加工，其优点是容易制作自由形状，可对非平面加工，缺点是加工时间很长，属单件生产，成本高。包括以下几种：逐次除去加工：如用于硅片切割的砂轮加工；细微放电加工、激光束加工、离子束加工、STM（扫描隧道显微镜）加工。逐次附着加工：如利用离子束CVD技术，可使仅被照射部分的材料堆积，形成某种结构。逐次改质加工：比如可以利用电子束或激光照射的办法使基板表面局部改质的技术，它的应用有电子束掩膜制作、非平面光刻
30、、局部掺杂等。逐次结合加工：比如IC引线焊接、局部粘结等。4 LIGA与准 LIGA技术1986年德国 W.Ehrfeld教授首先开发了进行三维微细加工最有前途的方法 LIGA技术。LI， Lithographier，即深度X 射线刻蚀；G，Galvanformug，即电铸成型；A，Abformug，即塑料铸膜。LIGA技术是深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸膜等技术的完美结合。LIGA工艺问世以来，被认为是最有前途的三维微细加工技术。1、LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。（1）深度X射线刻蚀：首先利用深度同步辐射X射线在数百微米后的PMMA光刻胶上刻蚀出较大深宽比
31、的光刻胶图形，高宽比一般达到100。（2）电铸成型及制膜：利用光刻胶层下面的金属膜作为电极进行电镀，将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充，直到光刻胶上面完全覆盖了金属为止，形成一个与光刻图形互补稳定的相反结构图形。（3）注模复制（塑铸）由于深度X射线光刻的代价太大，所以，在批量生产中，采用子母模的办法。塑铸为大批量生产电铸产品提供了塑料铸模。2、与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：（1）可制造有较大深宽比的微结构；（2）取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；（3）可制作任意复杂图形结构，精度高；（）可重复复制，符合工业上大批量生产要求，成本低。3、
32、LIGA技术的应用与发展（1）德国美茵兹技术研究所（IMM）开发除使用准分子激光烧蚀与LIGA技术结合的新加工工艺。（2）欧共体1992年启动一个称为MAXIMA多国协作研究项目，目标是研制一个三维集成加速度传感器。它是在X方向、 Y方向由LIGA工艺制造的加速度传感器阵列，与在Z 方向的硅加速度传感器阵列集成在同一硅片而成，是LIGA技术与硅微机械技术的完美结合。（3）美国威斯康兴大学HenryGuckel 教授领导的研究小组对LIGA技术进行了改进，开发出SLIGA技术。仅仅利用LIGA技术的典型工艺还不能制造出有活动要求的可动微结构。引入牺牲层腐蚀技术，可以大大拓宽LIGA技术应用零用，
33、为任意几何形状可动的三维结构制作开辟了道路。（4）1995年上海交通大学利用LIGA技术研制出直径2mm的电磁微马达的样机。（5）上海冶金所用一般厚正性光刻胶，深UV（紫外光）曝光的准LIGA技术，电铸厚的微结构可达10 m，而且零件表面光洁，侧面陡直。（6）德国Microparts公司已获许应用LIGA技术制造下一代喷墨打印机的喷嘴。这种新型打印机将具有96nm-1分辨率，喷墨密度将是目前一代喷墨打印机的4倍。4、准LIGA技术由于LIGA技术需要昂贵的深度同步辐射X射线光源和制作复杂的X光掩模，所以LIGA技术推广应用并不容易，而且与IC工艺不兼容。1993 年Allen提出用光敏聚酰亚胺
34、实现准LIGA技术。准LIGA技术利用常规的紫外光光刻设备和掩模，制作高深比微金属结构的方法。准LIGA 的工艺过程除了所用的光刻光源和掩模外，与LIGA工艺基本相同。用准LIGA技术既可以制造高深宽比的微机构，又不需要昂贵的同步辐射X 射线源和特制的 LIGA掩膜版，对设备的要求低得多；另外，它与集成电路工艺的兼容性也要好的多，因此，准LIGA技术得到了很大的发展。准LIGA工艺流程如图所示。准LIGA工艺的工艺过程：（a ） 紫外光光刻成模（b） 电铸或化学镀及制模（c ） 塑铸5、多层光刻胶工艺在准 LIGA工艺中的应用由于一般情况下用紫外光对光刻胶进行大剂量的曝光时，光刻胶不能太厚，而
35、且显影后光刻胶图形的侧壁陡制度不好。为此，将多层光刻胶工艺应用于准LIGA技术上进行光刻，可以得到较高的光刻分辨率。多层光刻胶工艺有两种，如两层光刻胶工艺、三层光刻胶工艺等。其中，三层光刻胶工艺师应用最多的一种多层光刻胶工艺。图1所示为三层光刻胶光刻工艺的流程：（1） 首先在硅衬底上涂敷较厚的下层光刻胶并进行烘干，（2） 然后在其上用PECVD方法或溅射、涂敷等方法形成中间介质层。（3） 由于表面已经相当平整，在中间介质层上只需涂敷较薄的上层光刻胶层，以提高光刻的分辨率，并进行前烘，形成三层结构。（4） 然后对上层光刻胶进行光刻，得到光刻后的图形。（5） 以上层光刻胶的图形作掩蔽，此采用RIE
36、刻蚀下层光刻胶，从而实现光刻图形向下层光刻胶的转移。图2是利用三层光刻胶工艺的准LIGA技术的工艺流程。（1） 在电镀基板上形成三层光刻胶结构，其中下层光刻胶厚度较大；（2） 利用图1所示的三层光刻胶工艺进行光刻，得到下层光刻胶的图形；（3） 利用RIE 刻蚀中间介质层，从而得到适合进行电铸的结构；（4） 利用LIGA工艺中相应的电镀、制模、脱模、电铸等工艺步骤制作高质量低成本的微机械结构。图3是利用准LIGA工艺制造的微电容加速度传感器的结构示意图。质量块用悬臂梁支持，并被固支在基片上，它可以在两个固定于基片的静电极之间摆动，从而与个静电极之间形成电容，电容量随着加速度大小的变化而变化。6、
37、 SLIGA 技术SLIGA技术是H.Guckle 教授等人结合硅面加工技术和常规LIGA技术而开发出的一种新工艺。在这个工艺中，牺牲层用于加工形成与基片完全相连或部分相连或完全脱离的金属部件。利用SLIGA技术可以制造活动的微器件。SLIGA工艺流程如图所示。 工艺过程为：先在平面基板上布设一层牺牲层材料，如聚酰亚胺、淀积的氧化硅、多晶硅或者某种合适的金属等，与电镀的材料相比，这些材料比较容易被有选择地去除。然后在基片和牺牲层上溅射一层电镀基底，其后的工艺与常规SLIGA 工艺相同。在完成LIGA技术的微电铸工艺之后将牺牲层去除，就可获得可活动的微结构。所谓“表面牺牲层”技术，即在形成微机械
38、结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件） 。由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲（sacrificial 1ayer，厚度约 1-2 m） 。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶。利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁及悬臂块等，此外常被用来制作敏感元件和执行元件，如谐振式微型压力传感器、谐振式微型陀螺、微型加速度计及微型马达、各种制动器等。7 MEMS 与 IC 工艺主要差别
39、三 MEMS 的应用微电子机械系统包括微传感器和微执行器。目前最成功的推向市场的是压力传感器和加速度传感器。二十一世纪，MEMS技术将有更大的发展，新原理、新功能、新结构的微传感器、微执行器以及微系统将会不断出现。MEMS的研究主要集中在三个方向：微型传感器（Micro-sensor），微型执行器(Micro- actuator)和微型系统（ Micro-system）。微型传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高和成本低的优势。目前开发的微型传感器可以测量各种物理量、化学量和生物量，例如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。微型执行器用
40、于提供各种运动和控制，是MEMS中的关键部分。目前研究的微型执行器主要有微型马达、微型镊子、微型泵、微型阀及微型光学器件、打印机喷头和硬盘磁头等。将微型传感器、微型执行器及相关的信号处理和控制电路集成在一起，能完成一定功能的微电子机械系统是研究的最终目标。数字化微镜器件、DNA分析系统、微传输系统和微流量控制系统是正在研究的几种微电子机械系统。微系统的主要几个发展方向是微型光机电器件和系统、微型生物芯片、微型机器人和微型飞行器和微动力系统。传感传感 MEMS 技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、
41、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视。生物生物 MEMS 技术是用 MEMS 技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它
42、把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物 MEMS 系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物 MEMS 的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。光学MEMS 光学扫描仪随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS 发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种 MEMS 结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。MOEMS 具有
43、体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:一是基于 MOEMS 的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀:二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS 是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。射频射频 MEMS 技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的 MEMS 器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的 MEMS 器件包
44、括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和 VCO 等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS 所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。世界著名信息技术期刊IEEE 论文集在 1998 年的 MEMS 专辑中将 MEMS 的内容归纳为：集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器归入 MEMS 范畴。制作 MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择
45、掺杂( 屏蔽扩散、离子注入 )、薄膜(层) 生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层 )技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的 LIGA 技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等，这就能充分发挥微电子技术的优势，利用 MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。倾角传感器倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆” 式、“液体摆”式、“ 气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。中
46、文名倾角传感器用 途用于系统的水平测量基本原理理论基础是牛顿第二定律发展历史随着 MEMS 技术的发展目录1. 1 基本信息2. 基本原理3. 发展历史4. 特点1. 用途2. 应用场合3. 2 应用特点4. 滤波功能1. 倾角测量2. 3 应用案例3. 4 注意事项基本信息编辑基本原理理论基础是牛顿第二定律：根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分算出线速度，进而可以计算出直线位移，所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。倾角传感器当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力
47、垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。发展历史随着 MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，在的 MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。倾角传感器把 MCU，MEMS 加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。特点硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。
48、数据方式输出，接口形式包括 RS232、RS485 和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。 承受冲击振动 10000G。用途倾角传感器用于各种测量角度的应用中。例如，高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。应用场合角度测量，零位调整，水平调整倾角开关（十二路开关信号）安全控制，报警，监控机械臂，大坝，建筑，桥梁角度测量对准控制，弯曲控制。初始位置控制，倾角姿态记录仪汽车四轮定位高空作业车应用特点编辑高精度单
49、轴倾斜角度传感器以基于电容式 3D-MEMS 技术的单轴倾斜角度传感器，在全温区都能表现出它卓越的可靠性，超凡的稳定性及史无前例的高精度。倾斜角度传感器系列倾斜角度传感器根据汽车行业的可靠性、稳定性要求所设计、生产和测试的。系列倾斜角度传感器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性，而不需要附加的其他器件。倾角传感器是模拟加速度传感器产品中的一员，加速度传感器无全兼容。可以调节输出频率，内置零位调整，可以根据要求定制零位调整按钮，从而实现在一定的角度置零的功能。这对于要测量相对倾角的场合非常有用，使用完毕后可以重新回归零位。倾角传感器在这种场合使用，只要将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的双轴倾角传感器相对倾角。滤波功能当要求输出比较稳定时，建议使用比较平缓的输出，以使输出的值趋向平和，而变化不至于太剧烈。如果要求非常及时的输出，比如在测量有较高频率的振动的场合，可以使用高频输出，不过，输出会因为响应时间非常短而不稳定。同时，可以使用内部滤波功能，以实现在振动场合测量倾角的目标。倾角测量通过双轴的配合，其原理是用欧拉角的形式表示一个坐标系的转动，可以实现 360 度倾角的测量。产品已经非
